Квантовые компьютеры привлекают все большее внимание

Корпорация IBM известна своими исследованиями в области квантовых компьютеров. В целях популяризации и привлечения внимания к этой многообещающей технологии, компания организовала дискуссию, на которую пригласила известных в этой области специалистов.

Тема обсуждения - как индустрия собирается готовить специалистов в области квантовых компьютеров, как организовать обучение в этой сфере, какой тип обучения необходим, и что обучающие компании и даже студенты должны сделать для этого, особенно с учетом распространения цифрового обучения.

Эйб Асфо (Abe Asfaw), глобальный лидер по квантовому образованию, IBM Quantum.

Джавад Шабани (Javad Shabani), доцент физики в Нью-Йоркском университете и член Центра квантовых явлений.

Тина Брауэр-Томас (Tina Brower-Thomas), доцент в Университете Говарда, сотрудник Центра интегрированных квантовых материалов (CIQM).

Дискуссию начал Джеффри Хэммонд (Jeffrey Hammond), вице-президент, главный аналитик Forrester, который отметил, что одним из аспектов квантового мира является вопрос, где найти людей, которые собираются изучить, как реализовать эту технологию и получить пользу от нее. Он начал с того, что спросил участников, как они привлекают специалистов в это технологическое сообщество?

Эйб Асфо. В этой дискуссии мы попробуем разобраться, что такое междисциплинарные квантовые вычисления, и почему они объединяют много дисциплин.

Дж. Х. Д-р Брауэр-Томас, что вы можете сказать по этому поводу?

Т. Б-Т. Я специализируюсь в области химии материалов. Таким образом, я работаю со стороны материалов в квантовых информационных технологиях и квантовых вычислениях, и к настоящему времени я являюсь членом нескольких комитетов. Мы обсуждаем с нашими индустриальными партнерами и с академическими кругами, каким должно быть будущее образование в сфере квантовых информационных технологий. Я также привлекаю их к участию в моих исследованиях.

Дж. Х. Спасибо, что присоединились к нам сегодня, д-р Шабани.

Джавад Шабани. Я являюсь доцентом в Университете Нью-Йорка, где мы работаем над аппаратной частью квантовых компьютеров. Наши интересы включают влияние и проблемы, которые они могут вызвать. Это лабораторное исследование в основном касается того, что мы можем улучшить на уровне кубитов, и затем, как это может повлиять на трансформацию индустрии, чтобы построит более крупные системы, и какое влияние они могут оказывать на все квантовое сообщество.

Дж. Х. Тина, позвольте начать с вас, потому что, кажется, вы знаете, из каких областей могут прийти люди и участвовать в индустрии.

Т. Б-Т. Квантовая механика, наука о квантовой информации, квантовые компьютеры – это все междисциплинарные области. Так что это могут быть математики, химики, физики, инженеры-электротехники. Для того чтобы работать в этой индустрии, конкретно в этой области, вы должны иметь высокий уровень образования. Мы говорим о степени бакалавра для большинства работ, о степени магистра и тех, кто имеет кандидатскую степень. Таким образом, в этом случае требуется немного больше усилий, чем в других областях.

Дж. Х. Когда я был в третьем классе и увидел мой первый компьютер i8080. Но я увидел его в школе, и я получил возможность играть на нем и писать программы, и это как бы определило мой путь, по которому я иду сегодня. Существует ли какой-нибудь эквивалент в квантовом мире, который даст эту технологию в руки людям, прежде чем они окончат университет. Эйб, я знаю, что вы что-то делаете в этой области?

Э. А. Давайте, может быть, взглянем, прежде всего, на вопрос, имеется ли вещь, подобная той, с которой вы познакомились, и которая определила вашу карьеру? Может быть, всего около четырех лет назад квантовые компьютеры стали доступны в облаке. Прежде вам необходим был доступ в лабораторию, для того чтобы работать на квантовом компьютере. Это значит, что должны были иметь степень магистра или кандидата наук, чтобы каким-то образом участвовать в исследованиях. Но наличие квантовых компьютеров в облаке обозначает, что квантовый компьютер доступен каждому, кто подключен к Интернету. И это немедленно влечет вопрос, как мы получим людей, которых заинтересует возможность использовать квантовые компьютеры. Конечно, это вызывает большой интерес, но как мы получим людей, которые захотят учиться и использовать квантовые алгоритмы. Итак, что мы делаем в нашей работе, так это пытаемся построить материалы, которые получат люди, привлеченные многими различными способами, так что они действительно могли бы начать работать с квантовыми компьютерами и понимать, как они работают. И у нас есть много инициатив, большинство из которых являются цифровыми, которые действительно пытаются обеспечит присоединение большой аудитории к этому сообществу. Это сообщество является очень маленьким, и мы стараемся расширить его, так что мы можем дополнительно его обучить.

Вы можете изменить проблемы изучения квантовых компьютеров со своего рода высокого барьера входа, где вы должны изучить квантовую механику и еще попутно несколько вещей, к несколько более низкому барьеру, относящемуся к вопросу программирования. И это позволит вам сделать доступными квантовые компьютеры людям, не имеющим соответствующего образования. И это является тем типом работы, который мы встречаем сегодня, и мы поддерживаем всю нашу работу по образованию в области квантовой механики.

Дж. Х. Позвольте вас кое о чем спросить, поскольку это звучит, как если бы вы знали традиционные корпоративные вычисления и ПО. Мы можем отделить людей, занимающихся аппаратным обеспечением, от людей, занимающихся ПО. Действительно ли это наносит нам ущерб в квантовом мире, и есть ли у нас такой же тип разделения между аппаратурой и ПО?

Дж. Ш. Я думаю о квантовых компьютерах сегодняшнего дня, я не знаю, как это было в 1960-х. Я не думаю, что вы сможете отделить их правильно. Если вы работает с железом, то имеется полное основное понимание этого, и мы знаем, что у нас нет совершенного квантового компьютера. Чтобы сделать небольшое улучшение, вам необходимо знать всю изнанку. Это просто не будет похоже. Я имею в виду, что есть определенно общий алгоритм, и вещи, которые будут в основном отображаться на все. Но если неизвестны детали, как все работает, то получим промежуточный зашумленный режим, в котором мы находимся сейчас, с ошибками, которые у нас есть в квантовых компьютерах. Если вы хотите прорыва, вы должны знать аппаратную часть. Это мое личное мнение.

Т. Б-Т. Я думаю, крайне важно дать нашим студентам возможность участвовать в исследованиях. Если вы сможете понимать, как это работает, что такое кубит, и затем попытаетесь понять, что такое логический вентиль, то вам необходимо перейти от классического мира к квантовому миру. Я думаю, что это действительно важно. Таланты есть, я только хочу подчеркнуть, что вопрос заключается в том, как их привлечь, как удержать их интерес. И затем, люди должны видеть, какие у них появятся перспективы. Но мы также знаем, что мы учим людей, и затем мы иногда их теряем. Таким образом, мы должны быть уверены, что все эти вещи работают в тандеме. Я думаю, для людей важно понимать, что это междисциплинарная область. Они нуждаются в возможностях сочетать исследования и образование. Мы нуждаемся в возможностях или мы нуждаемся в людях, которые понимали бы, какие преимущества они получат, пройдя тренировку, какой будет выход, если они получат эти знания. И необходимо быть реалистами, если вы собираетесь привлечь людей, которые не являются специалистами в квантовой механике, они должны понимать, как заработать деньги.

Дж. Ш. Могу я кое-что добавить? Три года назад я не имел столько опыта, и у меня был студент, который пришел и сказал, что он любит квантовые компьютеры. Я дал ему все основные материалы о них. IBM как раз вышла в online. Он ушел и затем вернувшись заявил, что хочет поменять область и заняться биологией. У меня была долгая дискуссия с ним, и он сказал, что хочет заняться более серьезными вещами, я хочу заниматься проблемами, которые стоят сейчас.

Я думаю, вы знаете, мы все говорим о больших вещах. Но хорошая команда приходит с хорошими вызовами.

Э. А. Я бы хотел добавить к этому. Эта идея вдохновляет студентов очень рано, может быть, даже еще в школьном возрасте. Если вы показываете ученикам старших классов, как программировать квантовый компьютер, они смогут очень быстро начать работать над проблемами, которые являются очевидными в аппаратном обеспечении, и они могут немедленно увлекаться тем, как решить эти проблемы. Я думаю, нужно продвинуть все как можно ближе к уровню средней школы.

Дж. Х. Как вы удерживаете в академических проектах талантливых людей? От их ухода на Уолл-Стрит или в Кремниевую долину?

Дж. Ш. В классах, в которых я преподаю, у меня есть студенты из Bloomberg, из American Express. Может быть это особенность города. Но я думаю, что каждый согласится, что квантовые компьютеры являются революционной технологией, и они очень интересны с точки зрения как фундаментальных исследований, так и способа их сборки. Это очень обширная область. Вы можете создавать продукты для связи, для информационной безопасности. Вы можете объединить все направления. Что касается меня, то это самая легкая тема для обсуждения, если вы хотите иметь мультидисциплинарный проект. Они знают, через 10 лет это будет целая область, и я вижу множество молодых программистов и даже людей с образованием в области физики, которые говорят, у меня будет в запасе год, если я хочу заняться квантовыми компьютерами, прежде чем пойду в аспирантуру, если я не уверен.

Э. А. Я думаю, что важно подчеркнуть следующее. С точки зрения перспектив индустрии по созданию квантовых компьютеров, существуют концепции, которые являются необходимыми в инженерном плане, например, в области электротехники, чтобы работать с квантовым компьютерами, считывать от них сигналы. Эти концепции являются важными с точки зрения перспектив материаловедения, и это область для объединения всех видов инженерных профессий и всех направлений науки. Что является важным для нас, так это создать условия, в которых студенты могут вносить свой вклад. Возвращаясь к вашему вопросу, как быть уверенным, что люди не уйдут в другие области, думая, что квантовые компьютеры - это не практично сиюминутно, то это зависит от нас, чтобы объяснить четко, где люди могут сделать свой вклад.

Т. Б-Т. Я думаю, если молодые люди действительно увидят практическую сторону, что они могут получить со своим образованием, я думаю, это сделало бы их ответственными. Если они не знают, где они могут применить свои силы, они уходят на Уолл-Стрит, в Кремниевую долину. Я задумывалась о том, как мы можем решить некоторые из этих проблем. Я начала бы с учеников в школах, где мы можем обучить молодежь квантовым компьютерам, квантовым материалам, всему в этой области, и привлечь их, дать им возможности работать в индустрии. И я хотела бы пригласить индустрию, пригласить ученых прийти к этим молодым людям и рассказать о том, что они делают каждый день, какие проблемы решают, и пригласить их работать вместе. Множество молодых людей, если им показать направление, по нему пойдут. Я думаю, что мы делаем здесь недостаточно, не только в области квантовых компьютеров, но и во многих других областях, где мы нуждаемся рабочей силе. Я думаю, что у нас есть реальная возможность придумать какие-нибудь уникальные способы решить эту проблему.

Дж. Х. Какие вещи могут зажечь воображение, принимая во внимание потенциал квантовых компьютеров?

Дж. Ш. Одна из них, что я действительно люблю приводить в качестве примера и что не является мэйнстримом – это предсказание погоды. Вы видите, что есть задачи, которые всегда можно решить классически. Но, как вы знаете, сегодня от прогноза погоды на неделю пользы мало, с квантовыми компьютерами вы потенциально можете сделать прогноз на гораздо больший срок. Вы, способны действительно получить правильный ответ, когда вы в этом нуждаетесь, и в этом разница.

Э. А. Мы должны стараться избегать излишней рекламы. И больше говорить о том, где квантовые компьютеры будут полезны как противоположность к текущей ситуации, которая отталкивается от того, сегодня квантовые компьютеры имеют значительные ограничения. Способ, которым мы понимаем природу, может быть значительно улучшен, если мы будем способны разрабатывать и использовать квантовые системы. Мы уже видим значительный вклад в это, мы видим сверхчувствительные детекторы квантовых эффектов в гравитации, и есть еще очень много вещей, в которых мы можем использовать квантовые компьютеры. Но в конце концов я думаю, нам необходимо быть честными в том, какие обещания можно давать.

Дж. Х. Я хочу возвратиться назад к проблеме междисциплинарного изучения, поскольку, я думаю, что это является действительно важным. Вы идете в математический класс, и затем вы идете в научный класс или выбираете информатику. Вы не идете в какой-нибудь химический класс. Нужно ли вам начинать думать об изучении этих предметов отдельно, или когда вы изучаете квантовые концепции, вы должны существенно изучать их как междисциплинарные предметы.

Т. Б-Т. Это очень интересный вопрос. Я хочу кое-что к нему добавить. Это также касается исследований и, в некоторой степени, высшего образования. Это является дорогим удовольствием. В частности, исследования. Так что, я думаю, они должны быть междисциплинарными. И они по сути являются междисциплинарными. Я не так уверена в том, хотим ли мы усердно изучать математику отдельно. Лишь думаю, что мы должны взяться за то, что именно изучать по математике, и как мы можем открыть людям, какое приложение это имеет. Так, вы знаете, что является важным изучение линейной алгебры. Мы знаем, что она необходима для квантовых компьютеров. Но какое ее реальное применение? Я не смогла запустить свою летнюю школу в этом году, как это делала обычно. Так что взамен я создала онлайн-сообщество и пригласила профессора по электротехнике прочесть курс математики, в котором рассматривается используемые концепции, электричество и магнетизм, чтобы обучить специальным вещам в математике и векторном исчислении, в частности. Идея заключается в следующем. Многие из этих студентов изучили электричество и магнетизм, но необязательно видят, как то, что они изучили здесь, можно использовать для большего понимания квантовой механики. Поэтому используют возможности, чтобы только установить связи между тем, что они уже знают, и как эти концепции могут быть применены для понимания, что им нужно знать, для того чтобы быть успешными в этой области.

Э. А. Я думаю, что вы указали на некоторые очень важные моменты, но вообще, как говорил Джеффри, все сводится к тому, как вы учите чему-то междисциплинарному такую разную аудиторию. Это всегда представляет проблему, поскольку вы должны найти и выбрать разные части в этой области. Я думаю, в общем, мы говорим о вещах, о которых упомянула Тина, и которые необходимо знать, к примеру, линейную алгебру. В конце концов, линейная алгебра сама по себе является областью, в которой вы можете защитить кандидатскую диссертацию. Вам не нужно знать линейную алгебру слишком глубоко, чтобы заниматься квантовыми компьютерами. Что вам действительно необходимо, так это знать матричную алгебру и, может быть, уметь перемножать тензоры. Это все вещи, которые изучаются в высшей школе. Для того чтобы знать квантовые компьютеры, вы должны знать кое-что из квантовой механики. Вы можете защитить кандидатскую по квантовой механике. Это является традиционным путем сегодня. Но вам не нужно знать квантовую механику слишком глубоко, чтобы войти в данную область. Все, что вам нужно, это немного интуиции, прежде чем вы начнете решать проблемы в квантовых компьютерах. Поэтому способ учить этому, хотя это междисциплинарная область, сводится к тому, как выбрать разные части, которые являются релевантными. В то же время, нужно быть уверенным, что вы покрываете необходимые требования для каждой из них. Так что химия, к примеру, может не быть включена. Как вы будете уверены, что вы учите тому, что называете основными принципами квантовой механики? И фундаментальная проблема в обучении - быть уверенным, что вы охватываете необходимые области.

Дж. Ш. Я согласен с Эйбом. Что касается меня, то я бы хотел обратить внимание на одну вещь. В моей лаборатории в последние три года есть около 10 студентов высшей школы. И я думаю, что наиболее сильной мотивационной частью для них является желание, как бы побольше узнать о линейной алгебре. Они хотят узнать, как глубоко нужно ее изучить, и единственный способ - это узнать у эксперта, что вам нужно, а что не нужно.

Дж. Х. Есть примеры, как эта проблема может быть решена. В Университете Клемсона есть Центр для карьерного и профессионального роста в области автомобильных исследований. В нем изучают вещи, такие как управление и технологии или биомедицинские разработки. Мы нуждаемся в чем-то подобном, чтобы решить проблему недостатка специалистов в области квантовых компьютеров.

Э. А. Я могу прокомментировать это и дать вам пример, насколько большой существует интерес, чтобы присоединиться к этой области. Мы говорим о недостатке навыков, но также, я думаю, что актуально еще то, что мы предлагаем с точки зрения перспектив квантового обучения. Мы организовали в IBM команду по квантовым компьютерам, разработали план для летней школы в этом году, чтобы обучить, например, 200 студентов. Это только оценочное количество специалистов, которых мы искали. Эта летняя школа быстро разрасталась, и количество студентов достигло пяти тысяч. Это показывает, как мы недооценили интерес к этой области.

Дж. Ш. Я согласен с Эйбом. Я имею в виду, мы определенно понимаем, что IBM делает феноменальную работу. Я, может быть, нахожусь ближе и вижу больше. Но я думаю, что каждый индустриальный сектор должен был бы вносить вклад в сегмент квантового компьютинга, должен был бы делать больше. Вы знаете, что в некоторой точке это становится похожим на большие данные. Будет так много ресурсов, что вы не сможете выбрать, какие из них для вас подходят, и затем вам необходимы другие навыки. Но имея централизованный эффективный пакет, который выходит, и с помощью экспертов в этой области, с помощью людей, которые являются, по сути, разработчиками и производителями аппаратных средств, и, может быть, есть эквивалентные версии для ионов и других платформ, я думаю, что чем больше мы имеем, тем лучше.

Дж. Х. Позвольте мне задать следующий вопрос из связанной области. Мы видим много людей, работающих над ИИ. Какое-то время все физики становились специалистами по данным, потому что их использовали, чтобы управлять большими массивами данных. Это было необходимо в области ИИ. Но одна из вещей, которую мы имеем с образовательной точки зрения, заключается в этичности применения ИИ. Видим ли мы нечто подобное в области квантовых компьютеров. Имеются ли здесь некоторые этические ограничения, которые всплывают, и становится ли это частью образовательной программы?

Э. А. Да, этика, по крайней мере, для меня, включает несколько разных вещей. Одна из них – это уверенность, что квантовые компьютеры должны использоваться исключительно в благих целях, для решения проблем человечества. Это один аспект. Имеются разные группы людей, думающих об этом, и пытающихся придумать, как правильно использовать доступ к квантовому компьютеру. В общем, когда мы говорим об этике использования квантового компьютера, то меня волнует, как такие системы будут развиваться дальше. Я хотел бы быть уверенным, что мы управляем открытым доступом к квантовому компьютеру для любого, кто хочет его изучить. Мы приветствуем всех и не закрываем двери для тех, кто хочет присоединиться к этой области.

Дж. Х. В заключение я хотел бы спросить, имеется ли какая-нибудь тема, которую стоило бы еще поднять. Позвольте начать с вас, Тина.

Т. Б-Т. Я думаю, что важным является понимание того факта, что квантовые компьютеры – это область, где может найтись место для множества разных специалистов. У нас есть возможность действительно пригласить широкую аудиторию, чтобы улучшить наши трудовые ресурсы, вовлечь и удержать молодежь и обеспечить их карьеру. Я думаю, что важно понимать, что несмотря на то, что имеется множество нерешенных проблем в области квантовой механики, они могут быть раскрыты, если мы будем инвестировать сейчас и инвестировать разумно в то, как мы обучаем студентов и даже школьников. Я думаю, в конечном счете, есть единственный способ подхода к образованию, и мы не должны бояться этого, мы должны пытаться решить эту проблему.

Дж. Ш. Я хотел бы добавить к тому, что сказала Тина, важность отношений с индустрией. Партнерство между индустрией и академией по мере того как индустрия растет, будет в основном диктовать, как много студентов вы собираетесь выпустить, и мы можем получить лучших выпускников в этой области. Если индустрия делает какую-нибудь крупномасштабную систему, решает трудные проблемы, тогда все студенты в основном хотят в этом участвовать. Если они знают, что работы нет, то они не приходят. Если индустрия хочет, чтобы лучшие люди пришли в IBM, например, и работали в сфере квантовых компьютеров, то это в основном вид работы в своеобразном ручном режиме. Мы хотим быть честными, мы знаем о серьезных проблемах в этой области, и большое количество стоящих перед нами вызовов делает эту область более притягательной. Мы видим большое количество новых статей, которые публикуются о той или другой теме. Я их уважаю, я знаю, что за этим стоит большой труд. Но студенты, когда приходят получить образование, хотели бы в результате иметь дело и с реальными приложениями. Они хотят, чтобы было ясно, где они находятся, какие проблемы стоят, и что можно сделать сейчас. Вы должны принимать их всерьез и ввести их в сообщество.

Э. А. С позиций перспектив образования в области квантовых компьютеров, следуя от точки, в которой Тина и Джавад подняли этот вопрос, мы сегодня объявили об открытом доступе к программе обучения квантовым компьютерам IBM. Цель этой программы заключается в том, чтобы быть уверенными, что любой, кто пройдет курс квантовых компьютеров, может использовать наши устройства. Таким образом, это предоставляет возможность любому преподавателю зарезервировать время для работы с устройствами, так что они могут учить во время лекции, используя эти системы. Они также имеют возможность задать домашнее задание студентам. Мы предоставили не только открытый доступ к устройствам, но мы также открыли исходный код квантового компьютера, что позволяет студентам изучать, как программировать квантовый компьютер, слушая традиционные курсы по квантовым вычислениям. И цель всех этих усилий заключается в том, чтобы быть уверенными, что по мере того, как студенты изучают квантовые компьютеры, они смогли бы работать на реальных системах.